(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理炉と、処理炉内部に配置され、半導体ウエハを載置して回転するサセプタと、前記サセプタを回転させる回転機構部と、処理炉内部に成膜用ガスを導入するガス導入管と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管とを備えた減圧エピタキシャル成長装置において、
前記回転機構部内をパージするためのパージガス導入管と、前記パージガス導入管によって導入されたガスを排出するパージガス排出管と、前記パージガス排出管に設けられた圧力調整弁と、前記回転機構部内の内圧を検知する圧力計と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計と、前記検知した処理炉の内圧及び回転機構部内の内圧に基づいて演算処理し、前記回転機構部内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えたことを特徴とする減圧エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記成膜用ガスを排出するガス排出管に設けられた圧力調整弁と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計が検知した処理炉の内圧に基づいて演算処理し、処理炉内部の圧力が適正値になるように、成膜用ガスを排出するガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載された減圧エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された減圧エピタキシャル成長装置の制御方法において、
前記処理炉内圧をｐ1とし、前記回転機構部内圧をｐ2としたとき、ｐ2とｐ1の比Ｐ（Ｐ＝ｐ2／ｐ1）を、０．９≦Ｐ≦１．０の範囲に制御することを特徴とする減圧エピタキシャル成長装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、減圧エピタキシャル成長装置およびその装置の制御方法に関し、より詳細には、シリコンウエハ等の半導体基板を載置するサセプタの回転機構部の内圧を特定範囲内に制御維持した減圧気相エピタキシャル成長装置およびその装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハ等の半導体基板にエピタキシャル単結晶薄膜を気相成長させるエピタキシャル成長には、一般に減圧ＣＶＤ装置等が用いられている。
この従来の減圧エピタキシャル成長装置について図２に基づいて詳述すると、減圧エピタキシャル成長装置は、処理炉１と、前記処理炉内部に配置され、半導体ウエハ８を載置保持して回転するサセプタ９と、前記サセプタ９を回転させる回転機構部５と、処理炉内部に成膜用ガスを導入するガス導入管１１と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管１０と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管１０に設けられた圧力調整弁４と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計２と、前記検知した圧力に基づいて演算処理し、処理炉内部の圧力が適正値になるように、成膜用ガスを排出するガス排出管１０に設けられた圧力調整弁４の開度を制御する演算・制御部３とを備えている。
このように構成されているため、処理炉１の内圧は、所定の圧力に制御され、半導体ウエハ８は所定の圧力下で処理される。
【０００３】
また、前記処理炉１の炉体下部に設置された回転機構部５には、パージガス導入管６とパージガス排出管７が配設されており、回転機構部５の内部をパージするＡｒガス等の不活性ガスが、パージガス導入管６より導入され、回転機構部５の内部をパージした後、パージガス排出管７から排出されるように構成されている。このように、回転機構部５の内部を不活性ガスによりパージすることにより、回転機構部５で発生する金属汚染が処理炉１の内部へ取り込まれるのを抑制し、金属汚染による処理炉汚染、半導体ウエハ汚染を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の減圧エピタキシャル成長装置にあっては、回転機構部内部の圧力は制御されていなかった。
そのため、従来の装置では、例えば、処理炉内圧（ｐ1 ）と回転機構部内圧（ｐ2 ）との状態が相対的にｐ1 ＞ｐ2 である場合、処理炉内で使用している反応性ガス（成膜用ガス）が回転機構部内に入り、該機構部を構成するベアリングやエンコーダといった機械部品類を汚染するため、頻繁に回転機構部を清掃する必要があった。また、上記の場合とは逆に、ｐ1 とｐ2 との状態がｐ1 ＜ｐ2 である場合、回転機構部内を通過して金属に汚染されたパージガスが、処理炉内に侵入するため、処理される半導体ウエハが金属に汚染されることがあった。
【０００５】
前記回転機構部内部の清掃頻度をできる限り少なくし、かつ、処理される半導体ウエハの金属汚染を最小限に抑制するためには、ｐ1 ＝ｐ2 に維持するのが有効であるが、その両者の適正な範囲は必ずしも明確ではなかった。特に、適正な範囲にｐ2 を設定できたとしても、処理炉内のガス流量の変化等によって処理炉内圧ｐ1 が変動した場合、ｐ2 が適正範囲から外れ、上記した弊害が生ずる。
【０００６】
なお、従来の装置において、処理炉と回転機構部との間を完全にシールすることによって、上記した弊害を防止することが考えられるが、サセプタを回転させる回転軸が回転機構部から処理炉内部に延設されている等の装置の構造上、高いシール性を確保することができない。仮に高いシール性を確保しようとすれば、装置の構造が複雑化し、また装置自体が高価になるという新たな問題が生ずる。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、回転機構部の内圧を特定範囲内に制御維持することにより、回転機構部を構成する機械部品類の汚染が抑制されると共に、半導体ウエハの汚染が抑制される減圧気相エピタキシャル成長装置およびその装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置は、処理炉と、処理炉内部に配置され、半導体ウエハを載置して回転するサセプタと、前記サセプタを回転させる回転機構部と、処理炉内部に成膜用ガスを導入するガス導入管と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管とを備えた減圧エピタキシャル成長装置において、前記回転機構部内をパージするためのパージガス導入管と、前記パージガス導入管によって導入されたガスを排出するパージガス排出管と、前記パージガス排出管に設けられた圧力調整弁と、前記回転機構部内の内圧を検知する圧力計と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計と、前記検知した処理炉の内圧及び回転機構部内の内圧に基づいて演算処理し、前記回転機構部内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置には、前記回転機構部内をパージするためのパージガス導入管と、前記パージガス導入管によって導入されたガスを排出するパージガス排出管と、前記パージガス排出管に設けられた圧力調整弁と、前記回転機構部内の内圧を検知する圧力計と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計と、前記検知した処理炉の内圧及び回転機構部内の内圧に基づいて演算処理し、前記回転機構部内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えているため、従来の装置では制御することができなかった回転機構部内部の圧力を所望の範囲に制御することができる。即ち、本発明にかかる減圧気相エピタキシャル成長装置では、成膜用ガス（反応性ガス等）の処理炉内から回転機構部内への侵入が抑制されるため、回転機構部内の汚染が低減される。また、パージガスの回転機構部から処理炉内への侵入が抑制されるため、半導体ウエハの汚染が低減される。
【００１１】
特に、前記処理炉の内圧を検知する圧力計及び回転機構部内の内圧を検知する圧力計とを備え、前記検知した処理炉の内圧及び回転機構部内の内圧に基づいて演算処理し、前記回転機構部内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えているため、前記処理炉の内圧が変化した場合であっても、回転機構部内部の圧力を適正値になすことができる。
【００１２】
なお、前記減圧気相エピタキシャル成長装置にあっては、前記成膜用ガスを排出するガス排出管に設けられた圧力調整弁と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計が検知した処理炉の内圧に基づいて演算処理し、処理炉内部の圧力が適正値になるように、成膜用ガスを排出するガス排出管に設けられた圧力調整弁の開度を制御する演算・制御部とを備えることが望ましい。
【００１３】
また、上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置の制御方法は、前記処理炉内圧をｐ1 とし、前記回転機構部内圧をｐ2 としたとき、ｐ2 とｐ1 の比Ｐ（Ｐ＝ｐ2 ／ｐ1 ）を、０．９≦Ｐ≦１．０の範囲に制御することを特徴としている。
前記回転機構部内圧を前記条件を満たすように制御することにより、回転機構部を構成する機械部品類の汚染が抑制され、かつ半導体ウエハの汚染が抑制される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置を模式的に示した概略図である。
図１に示すように、本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置は、従来の減圧エピタキシャル成長装置と同様に、処理炉１と、前記処理炉内部に配置され、半導体ウエハ８を載置して回転するサセプタ９と、前記サセプタ９を回転させる回転機構部５と、処理炉内部に成膜用ガス（反応ガス等）を導入するガス導入管１１と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管１０と、前記成膜用ガスを排出するガス排出管１０に設けられた圧力調整弁４と、前記処理炉の内圧を検知する圧力計２と、前記検知した圧力に基づいて演算処理し、処理炉内部の圧力が適正値になるように、成膜用ガスを排出するガス排出管１０に設けられた圧力調整弁４の開度を制御する演算・制御部３とを備えている。
このように構成されているため、処理炉１の内圧は、所定の圧力に制御され、半導体ウエハ８は所定の圧力下で処理される。
【００１５】
また、前記処理炉１の炉体下部に設置された回転機構部５には、パージガス導入管６とパージガス排出管７が配設されており、回転機構部５の内部をパージするＡｒガス等の不活性ガスが、パージガス導入管６より導入され、回転機構部５の内部をパージした後、パージガス排出管７から排出されるように構成されている。
【００１６】
更に、前記パージガス排出管７には圧力調整弁４１が設けられると共に、前記回転機構部５内の内圧を検知する圧力計２１が設けられている。また、前記圧力計２１によって検知された圧力に基づいて演算処理し、回転機構部５の内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管７に設けられた圧力調整弁４１の開度を制御する演算・制御部３１が設けられている。
この前記演算・制御部３１には、前記した圧力計２１からのデータのほか、処理炉１の内圧を検知する圧力計２からのデータも入力され、前記検知した処理炉１の内圧及び回転機構部５内の内圧に基づいて演算処理し、前記回転機構部５の内部の圧力が適正値になるように、パージガス排出管７に設けられた圧力調整弁４１４の開度を制御するように構成されている。
【００１７】
次に、このように構成された減圧エピタキシャル成長装置の動作について説明する。
前記処理炉１内には処理される半導体ウエハ８がサセプタ９上に載置され、回転する。このとき、処理炉１内の上方から、前記半導体ウエハ８の上面に向けて、反応ガス、ドーパントガス、キャリアガス等の成膜用ガスが供給される。この成膜用ガスは、半導体ウエハ８の面上で反応し、該面にエピタキシャル単結晶膜を成長させながら、処理炉１の底部に流下し、成膜用ガス排出管１０から排出される。
【００１８】
このとき、処理炉１の底部に設けられた圧力計２によって、処理炉内圧を検知し、その測定データは演算・制御部３に入力される。この演算・制御部３では、半導体ウエハ８を処理するのに最適な圧力になすため、圧力制御弁４の弁開度を調節する制御信号を圧力制御弁４に送出する。その結果、圧力制御弁４の弁開度は調節され、処理炉１の内圧は自動的に最適な圧力に制御される。
【００１９】
また、回転機構部５に設けられた圧力計２１によって、回転機構部５の内圧が検知され、この測定データは演算・制御部３１に入力される。また、演算・制御部３１には、処理炉１の底部に設けられた圧力計２によって検知された処理炉内圧の測定データが入力される。
この演算・制御部３１では、前記した回転機構部５の内圧及び処理炉１の内圧データに基づいて、回転機構部５の内圧を最適な圧力になすため、圧力制御弁４１の弁開度を調節する制御信号を圧力制御弁４１に送出する。その結果、圧力制御弁４１の弁開度は調節され、回転機構部５の内圧は、自動的に最適な圧力に制御される。
このように、回転機構部５の内圧及び処理炉１の内圧データに基づいて、圧力制御弁４１の弁開度を調節しているため、処理炉１の内圧が変動した際にも、回転機構部５の内圧を最適な圧力になすことができる。
【００２０】
具体的に説明すれば、圧力制御弁４１は、処理炉１の内圧と回転機構部５の内圧が下記の関係を満たすように制御される。
すなわち、処理炉内圧をｐ1 、回転機構部内圧をｐ2 としたとき、ｐ1 とｐ2 の比Ｐ（Ｐ＝ｐ2 ／ｐ1 ）が、
０．９≦Ｐ≦１．０
の関係を満たすように制御する。
【００２１】
このような制御をなすのは、処理炉１の内圧が回転機構部５の内圧よりも高い場合には（ｐ1 ＞ｐ2 ）、処理炉内で使用している反応性ガスが回転機構部内に入り、ベアリングやエンコーダ等の機械部品を汚してしまうため、頻繁に回転機構部部を清掃する必要が生じ、好ましくない。
一方、処理炉１の内圧が回転機構部５の内圧よりも１０％以上低い場合（ｐ1 ＜０．９ｐ2 ）、反応性ガスが回転機構部５の内部に侵入することは阻止され、回転機構部５の清掃頻度は少なくなる。しかし、回転機構部内を通過して金属に汚染されたガスが、処理炉１の内部に侵入するため、処理される半導体ウエハが金属に汚染されてしまう不都合を招来する。
【００２２】
したがって、後述する実施例からも明らかなように、本発明においては、上記規定範囲内に回転機構部内圧を制御・維持することが、回転機構部内部の汚染を、清掃頻度が生産性の点から許容することができる程度となるように抑制し、かつ、半導体ウエハの金属汚染を品質管理上の許容値以下に抑制するために特に重要である。
【００２３】
なお、本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置を用いた気相エピタキシャル成長において、上記圧力条件以外の操作条件は、従来の成長方法と特に異なるところはなく、ほぼ同様の成長条件が採用されて差し支えない。
また、処理炉の反応温度は、半導体ウエハの種類、成長させるエピタキシャル単結晶膜の種類等によりそれぞれ相違するが、例えば、シリコンウエハ上にシリコンエピタキシャル膜を成長させる場合には、通常、１１００℃以上１２００℃以下程度の温度が採用される。更に、膜形成に用いる半導体基板としては、典型的にはシリコンウエハであるが、炭化ケイ素基板等のシリコン以外の半導体基板も使用することができる。
更にまた、前記半導体基板上に形成される薄膜は、シリコン膜が最も一般的であるが、その他の薄膜、例えば、ＧａＡｓ膜等でも支障なく適用され得る。
また、上記気相成長に用いる成膜用ガスとしては、特に限定されることなく、通常のエピタキシャル成長法による膜形成で用いられる成膜用ガスを使用することができる。
【００２４】
また、上記実施形態では、処理炉用の演算・制御部３と、回転機構部用の演算・制御部３１とを別個のものとして形成した場合について説明したが、特にこれに限定されるものではなく、両方の機能を備えた１つの演算・制御部として形成しても良い。
また、上記実施形態にあっては、処理炉内圧と回転機構部の内圧のデータに基づいて圧力制御弁４１の開度調節を行うように構成した場合について説明したが、通常処理炉内圧は２０±０．２Ｔｏｒｒに設定されるため、回転機構部内圧ｐ2 が、０．９（２０±０．２Ｔｏｒｒ）＜ｐ2 ＜２０±０．２Ｔｏｒｒの範囲になるように、回転機構部内圧のデータのみに基づいて圧力制御弁４１の開度調節を行うように構成しても良い。
【００２５】
【実施例】
図１に示した構造の減圧エピタキシャル成長装置を用い、かつ、処理炉内圧ｐ1 と回転機構部内圧ｐ2 との比Ｐ（Ｐ＝ｐ2 ／ｐ1 ）を変化させて作製したエピタキシャルウエハのＦｅ汚染濃度を測定した。
これらの測定結果を図３にグラフとして示す。
上記以外のエピタキシャルウエハ製造条件は、以下の条件とした。
被処理半導体ウエハ：８インチ径シリコンウエハ
サセプタ回転速度：１５００ｒｐｍ
炉内温度：１０００±３℃、炉内圧力：２０±０．２Ｔｏｒｒ
成膜用ガス：原料ガス：ＳｉＨ4 ３０００ｓｌｍ；ドーパント：Ｂ2 Ｈ6 ７５ｐｐｍ；キャリア：Ｈ2
成長処理時間：０．１時間
【００２６】
図３に示したように、Ｐ≦１．０の条件下においては、被処理ウエハのＦｅ汚染濃度は検出限界以下でほぼ安定している。これに対して、Ｐ＞１．０では、Ｐの増加に対しＦｅの汚染濃度が急激に増大している。
したがって、エピタキシャルウエハの品質を維持する観点からは、Ｐが１．０以下に制御されることが重要であることがわかる。
【００２７】
次に、各Ｐ値において同じ条件下でウエハを５０枚処理した後、回転機構部内壁に付着した反応生成物量を測定した。
これらの測定結果を図４にグラフとして示す。
【００２８】
図４に示したように、Ｐ＞１．０では、反応生成物の付着はほとんど見られない。また、０．９≦Ｐ≦１．０では、Ｐが小さくなるにしたがって、付着反応生成物量は徐々に増加する程度である。これに比べて、Ｐ＜０．９では付着反応生成物量は急増している。
したがって、回転機構部内部のメンテナンス頻度を考慮した場合、Ｐは０．９以上で制御されるのが好ましいことがわかる。
【００２９】
以上のことから、ウエハ汚染を回避してその品質を維持し、なおかつ、回転機構部内部のメンテナンス頻度を低減させるためには、上記処理炉内圧ｐ1 と回転機構部内圧ｐ2 との比Ｐ（Ｐ＝ｐ2 ／ｐ1 ）を
０．９≦Ｐ≦１．０
の範囲に維持することが重要であることが認められた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置及びおよびその装置の制御方法によれば、半導体ウエハの金属汚染を防止すると共に、サセプタを回転させる回転機構部の清掃（メンテナンス）頻度を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる減圧エピタキシャル成長装置を模式的に示した概略図である。
【図２】従来の減圧エピタキシャル成長装置を模式的に示した概略図である。
【図３】実施例における処理炉内圧と回転機構部内圧との比Ｐを変化させて作製したエピタキシャルウエハのＦｅ汚染濃度の推移を示した線図である。
【図４】実施例における処理炉内圧と回転機構部内圧との比Ｐを変化させた時の回転機構部壁面に付着した反応生成物量の推移を示した線図である。
【符号の説明】
１    処理炉
２    圧力計（炉用）
３    演算・制御部（炉用）
４    圧力制御弁（炉用）
５    回転機構部
６    パージガス導入管
７    パージガス排出管
８    半導体ウエハ
９    サセプタ
１０  ガス排出管
１１  ガス導入管
２１  圧力計（回転機構部用）
３１  演算・制御部（回転機構部用）
４１  圧力制御弁（回転機構部用）
【図１】
0004442841.tif 000002
【図２】
0004442841.tif 000003
【図３】
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【図４】
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